一种刀具体、刀具的内冷通道成型方法与流程

1.本发明涉及刀具的冷却，特别涉及刀具内冷通道的布置。


背景技术：

2.在金属切削加工过程中，将冷却液精准地喷射向切削区域能够快速地冷却刀具和工件，冲断并清除切屑，提高工件的加工质量，延长刀具的使用寿命，提升加工效率。现有技术中的一种冷却液供应形式是采用机床冷却管，机床冷却管一般为塑料或金属材质的竹节管或可调方向金属冷却管，能够进行万向调节以使管端的喷口朝向刀具。加工时，机床冷却管随着平移并转动的刀具一起平移，或者固定设置且喷口朝向仅转动而不移动的刀具；另一种冷却液供应形式为内冷，在刀具内部设有内冷通道，即内部冷却液通道，直接将冷却液喷向刀刃。相比于机床冷却管，内冷形式能够避免机床冷却管与工件或机床产生干涉，并且能够在刀具自身旋转时仍向切削区域以理想的角度和方向精准地供应冷却液，因此效果更好，应用越来越广泛。
3.内冷通道往往利用电火花穿孔机成型，或利用麻花钻在刀具体内部钻削成型，一般包括纵向主通道和与纵向主通道交叉的侧向斜通道两部分。如图1所示的三阶五刃机夹式刀具，是一种非标刀具，包括刀具体91和五片刀片92，刀具体91包括主体部分93，主体部分93的一端设有刀柄94，另一端设有刀头座95，机床主轴通过刀柄94连接刀具。进行加工时，冷却液96在高压作用下通过机床主轴进入主体部分93中心的纵向主通道97，再通过侧向斜通道98喷射向各个刀头的切削区域。再如专利文献cn209681247u中公开的一种钎焊硬质合金钻、扩、倒角型内冷复合刀具，通过内冷却孔和径向出水孔将冷液喷向用于实现钻、扩、倒角等不同功能的刀刃部位。但是，为了满足内冷通道的加工工艺要求，有时电火花穿孔机或麻花钻需要先加工出多余的工艺孔，这些工艺孔后续需要利用金属修补剂进行封堵，以保证冷却液流向，因此加工工艺较为复杂，成本较高；另外，内冷通道的设置还可能会影响刀具体的力学性能，进而会影响加工精度和使用寿命，对于精度要求高的刀具就需特别考虑内冷通道对加工精度带来的影响。
4.专利文献cn105710400b公开了一种用于切削刀片的刀架以及用于制造刀架的方法，其中的刀架包括作为刀具体的支座部分，支座部分的前端设有供切削刀片嵌入的凹陷部，支座部分顶部设有夹紧臂(即上述专利文献中的夹紧元件通道)，夹紧臂的根部连接在支座部分上，前端与切削刀片对应，能够在螺钉的作用下压紧切削刀片。为了实现刀刃的冷却，支座部分内设有主内冷通道，夹紧臂内设有多个侧通道，侧通道的出口朝向刀刃。由于夹紧臂的几何形状限制，上述刀架难以在不损害刀架结构性能的情况下加工出内冷通道，因此刀架体和/或夹紧元件优选地包括彼此融合的金属颗粒制造，采用了3d快速成型工艺以加层制造的方式成型(即3d金属打印技术)，能够制造出轮廓复杂的内冷通道。
5.3d金属打印技术能够实现更高的设计自由度且具有环境友好型等优点，目前得到了快速的发展。然而，受技术装备、新型材料、质量安全的影响和制约，3d金属打印技术还具有一定的局限性。例如液态金属打印技术只能选用低熔点且流动性强的金属；熔融沉积成
型(fused deposition modelling，fdm)打印技术难以构建造型复杂、具有薄壁特征的零件；激光选区烧结技术(selective laser sintering，sls)拉伸强度低、尺寸精度较差。激光选区熔化技术(selective laser melting，slm)与喷墨粘粉式打印(three dimensional printing，3dp)其打印精度以及力学性能均有待提高。而切削刀具必须具有一定的高温硬度和耐磨性、必要的抗弯强度、冲击韧性，且尺寸精度和形位公差要求严格，因此，通过3d金属打印技术虽然易于成型出内冷通道，但是内冷通道仍然会对刀具的力学性能、零件加工精度造成影响，对于加工精度、力学性能要求高的刀具，目前仍难以依靠3d金属打印技术制造的方式成型出内冷通道。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种刀具的内冷通道成型方法，解决现有技术中的一些刀具难以加工内冷通道的问题。本发明的另一个目的是提供一种刀具体，解决现有的刀具体上有时难以设置内冷通道的问题。
7.本发明中采用如下技术方案：
8.一种刀具体，包括主体部分，主体部分的一端设有用于装夹固定到机床上的刀柄，另一端设有至少一处刀头座，刀头座用于安装刀头以形成切削刃，刀具体还包括固定在主体部分外部的内冷导流模块，所述内冷导流模块上设有冷却液进口，还设有与冷却液进口连通的导流管；导流管延伸至相应的刀头座，延伸路径用于避免与工件和机床产生干涉，导流管的端部开口形成用于朝向刀头的切削区域喷射冷却液的喷口。
9.上述技术方案的有益效果是，通过设置内冷导流模块，冷却液能够通过内冷导流模块上的冷却液进口注入内冷导流模块，再通过延伸至相应刀头座的导流管朝向刀头的切削区域喷射冷却液，由于内冷导流模块固定在主体部分上，能够随主体部分移动，同时，导流管的延伸路径能够避免导流管与工件和机床产生干涉，因此内冷导流模块能够像设置在主体部分内部的内冷通道一样发挥冷却液引导作用；并且，内冷导流模块固定在主体部分的外部，相比于在主体部分内部设有内冷通道，不会影响主体部分的力学性能，也不受主体部分上刀头数量和位置等因素的限制，设置位置更加灵活，从而解决现有技术中的一些刀具难以加工内冷通道的问题。
10.进一步地：所述导流管包括伸向刀头座的延展部分，还包括与延展部分成“l”形布置以朝向刀具的前刀面的折弯部分，喷口设置在折弯部分的末端。
11.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，延伸部分能够使导流管伸向刀头座，另外，通过设置与延展部分成“l”形布置的折弯部分，导流管的喷口能够朝向刀具的前刀面，从而更好地发挥冷却液的效果。
12.进一步地：内冷导流模块包括固定在主体部分上的模块基体，导流管连接在模块基体上；延展部分包括与模块基体连接的倾斜部分和连接在倾斜部分与折弯部分之间的平直部分，倾斜部分和折弯部分位于平直部分径向的同一侧，用于使导流管避让延伸路径上的物体并从前刀面的侧向朝向前刀面。
13.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，设置位于平直部分径向的同一侧的倾斜部分和平直部分能够避免导流管与工件和机床产生干涉，并且能够减少导流管的弯折，避免由于弯折而影响冷却液的压力。
14.进一步地：所述内冷导流模块采用3d金属打印的方式嫁接在机械加工制成的主体部分上。
15.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，3d金属打印的方式能够较为容易地满足复杂形状的成型要求，相比于利用电火花穿孔机加工内冷通道或者通过麻花钻加工内冷通道，成型工艺更简单，能够解决其他设置方式不易满足导流管的延伸路径要求的问题。
16.进一步地：所述导流管设有至少两只，分别与两处以上刀头座一一对应。
17.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，能够实现不同刀头座的冷却，保证整体冷却效果。
18.进一步地：内冷导流模块包括固定在主体部分上的模块基体，冷却液进口设置在模块基体上，模块基体内设有供导流管与冷却液进口连通的连通通道；各导流管均连接在模块基体上。
19.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，设置模块基体并将导流管连接到模块基体上，能够使各个模块基体通过同一冷却液进口进液，从而解决导流管数量较多时进液结构复杂的问题。
20.进一步地：所述模块基体的侧面设有连接平面，供导流管的对应端对接。
21.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，便于导流管与模块基体的可靠连接。
22.进一步地：所述主体部分内设有沿刀柄径向延伸的纵向主通道和与纵向主通道交叉的径向连通通道，所述内冷导流模块的冷却液进口对接在径向连通通道的外端开口处。
23.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，能够以简单的结构实现冷却液的导通，便于加工。
24.刀具的内冷通道成型方法：在刀具的主体部分外部固定连接内冷导流模块，内冷导流模块包括冷却液进口和导流管，导流管延伸至相应的刀头座以依靠导流管的端部开口朝向刀头的切削区域喷射冷却液，从而形成用于将冷却液引导至刀头的内冷通道，导流管的延伸路径能够避免导流管与工件和机床产生干涉。
25.上述技术方案的有益效果是，通过设置内冷导流模块，冷却液能够通过内冷导流模块上的冷却液进口注入内冷导流模块，再通过延伸至相应刀头座的导流管朝向刀头的切削区域喷射冷却液，由于内冷导流模块固定在主体部分上，能够随主体部分移动，同时，导流管的延伸路径能够避免导流管与工件和机床产生干涉，因此内冷导流模块能够像设置在主体部分内部的内冷通道一样发挥冷却液引导作用；并且，内冷导流模块固定在主体部分的外部，相比于在主体部分内部设有内冷通道，不会影响主体部分的力学性能，也不受主体部分上刀头数量和位置等因素的限制，设置位置更加灵活，从而有效解决了现有技术中的一些刀具难以加工内冷通道的问题。
26.进一步地：所述内冷导流模块采用3d金属打印的方式嫁接在机械加工制成的主体部分上。
27.上述进一步限定的技术方案的有益效果是，3d金属打印的方式能够较为容易地满足复杂形状的成型要求，相比于利用电火花穿孔机加工内冷通道或者通过麻花钻加工内冷通道，成型工艺更简单，能够解决其他设置方式不易满足导流管的延伸路径要求的问题。
附图说明
28.图1是现有技术中的一种三阶五刃机夹式刀具的结构示意图；
29.图中相应附图标记所对应的组成部分的名称为：91、刀具体；92、刀片；93、主体部分；94、刀柄；95、刀头座；96、冷却液；97、纵向主通道；98、侧向斜通道。
30.图2是本发明中的一种刀具体的实施例1所对应的刀具的结构示意图；
31.图3是图2中的刀具的立体图；
32.图4是内冷导流模块的立体图；
33.图5是现有技术中向刀头喷射冷却液时的示意图。
34.图中相应附图标记所对应的组成部分的名称为：10、主体部分；11、刀柄；12、刀头；13、第一刀头座；14、第二刀头座；15、刀头安装孔；16、纵向主通道；17、径向连通通道；20、刀片；30、内冷导流模块；31、模块基体；32、导流管；33、冷却液进口；35、连接平面；36、倾斜部分；37、平直部分；38、折弯部分；39、喷口；91、主体部分；92、喷射口；93、刀头座；94、刀头；95、刀片；96、冷却液。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的具体实施方式中，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个
……”
等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
38.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.以下结合实施例对本发明进一步地详细描述。
41.本发明中一种刀具体的实施例1：
42.该刀具体包括主体部分10，主体部分10的一端设有用于装夹固定到机床上的刀柄11，另一端设有两处用于设置刀头12以形成切削刃的刀头座，两处刀头座分别为第一刀头座13和第二刀头座14，每处刀头座上均安装有一个刀头12，形成了如图2所示的刀具。
43.本实施例中的刀头12为精镗刀头，包括设有刀片槽的刀片安装座和可拆固定在刀片安装座上的三角形形状的刀片20。第一刀头座13具有倾斜面，倾斜面上设有轴线倾斜的刀头安装孔15；第二刀头座14由主体部分10的径向一侧设置的平面部分形成，其上设有垂直于刀具体轴线的刀头安装孔15。两处刀片20安装座上的刀片20的前刀面均垂直于主体部分10的外周面的切向。
44.对于该刀具，较好的冷却液供应方式是使冷却液朝向刀片20的前刀面喷射，但是，如图5，由于刀头94的形状限制，冷却液96无法通过主体部分91上的喷射口92直接准确地喷射向刀头94上的刀片95形成的切削区域；并且，由于两个刀头12的刀头座间距紧密，因此主体部分10上位于两者之间的部分不具备加工侧向斜通道的空间。如果将冷却液通入刀头安装孔15内，再在刀头座上设置冷却液通道，由于冷却液压力很大，会对刀头12产生作用力，并且冷却液可能将细小的切屑、油污携带到刀头安装孔15内，刀头12安装时会被垫高，这样将影响刀具的精度(目前将刀头向刀头安装孔15内安装时，为了保证安装精度，需要将刀头安装孔15内的异物粘出)，因此也不能将主体部分10中心的纵向主通道16与刀头安装孔15连通。并且，对于精镗刀这一使用环境，直接在主体部分10上设置内冷通道也会影响刀具的加工精度和力学性能。
45.本发明中改变了在主体部分10内设置内冷通道的思路，依靠主体部分10外部另外设置的内冷导流模块30来实现内冷通道的建立，能够保证刀具的切削区域能够被精准地喷射冷却液，从而实现内冷需求。
46.具体地，如图2、图3和图4，内冷导流模块30包括模块基体31和连接在模块基体31上的两只导流管32，内冷导流模块30整体采用3d金属打印的方式嫁接在机械加工成型的主体部分10上。3d金属打印采用金属粉末为原材料，通过熔融沉积成型(fused deposition modelling，fdm)、激光选区烧结技术(selective laser sintering，sls)、激光选区熔化技术(selective laser melting，slm)、喷墨粘粉式打印(three dimensional printing，3dp)中的任意一种工艺实现。金属粉末与刀体具有较强的亲和力，可以采用铁粉、铬粉、锡粉、镍粉、铬铁粉等。通过3d打印的方式将相应结构嫁接在其他物体上是3d打印领域的惯用手段，能够实现相应结构与其他物体的直接连接，此处不再详细说明。
47.模块基体31为横截面为正六边形的柱体结构，内部设有沿柱体轴线竖直布置的连通通道，连通通道的顶部封闭，底部设有开口，形成冷却液进口33。模块基体31与第一刀头座13、第二刀头座14沿刀具体的轴向排列成直线。两只导流管32分别与两只刀头座对应，两导流管32的一端分别连接在正六边形的柱体的两个侧面形成的连接平面35上，与模块基体31上的连通通道连通，另一端延伸至相应的刀头座，延伸至相应的刀头座的一端的端部开口形成朝向刀头12的切削区域喷射冷却液的喷口39，并且喷口39在各个方向上均不超过刀具的加工范围，从而避免与工件和机床发生干涉。与内冷导流模块30对应，主体部分10内设有沿刀柄11径向延伸的纵向主通道16和与纵向主通道16垂直交叉的径向连通通道17，所述
内冷导流模块30的冷却液进口33对接在径向连通通道17的外端开口处。
48.如图4，每只导流管32整体都分为两部分，一部分是伸向刀头座的延展部分，另一部分是与延展部分成“l”形布置以朝向刀具的前刀面的折弯部分38，喷口39设置在折弯部分38的末端。延展部分又分为倾斜部分36和平直部分37，倾斜部分36和折弯部分38位于平直部分37径向的同一侧。对于第一刀头座13对应的导流管32来说，该导流管32上位于倾斜部分36和折弯部分38之间的空间能够避让第二刀头座14，并且倾斜部分36和平直部分37使得折弯部分38能够从第一刀头座13上刀片20的前刀面的侧向朝向前刀面。对于第二刀头座14对应的导流管32来说，该导流管32上位于倾斜部分36和折弯部分38之间的空间能够避让与第一刀头座13对应的导流管32，并且倾斜部分36和平直部分37使得折弯部分38能够从第二刀头座14上的刀片20的前刀面的侧向朝向前刀面。
49.为了避免导流管32的弯折部位影响冷却液的流量和喷射压力，导流管32的弯折部位的弯折角度均大于90
°
且平滑过渡。另外，导流管32末端的通道内径逐渐递减以增加冷却液的喷射压力，使冷却液能够更好地发挥效果。
50.另外，本实施例中，主体部分10的横截面积为s、纵向主通道16的横截面积为s1，为保证刀具体具有足够强度刚性，s1《s/20；为保证冷却液具有足够的喷射压力，纵向主通道16的横截面积s1大于径向连通通道17的横截面积s2，径向连通通道17的道横截面积s2大于两只导流管32的通流面积之和。
51.使用时，刀具体装夹在机床夹具上，并且与机床上的冷却液供给系统连接。加工工件时，冷却液供给系统供给的冷却液依次经过纵向主通道16、径向连通通道17进入内冷导流模块30，通过各导流管32精确地喷射到相应刀头座的切削区域，能够快速冷却刀具和工件，冲断并清除切屑，提高工件的加工质量，延长刀具的使用寿命，提升加工效率。由于不需通过与各刀头12对应的冷却通道向各相应刀头12喷冷却液，因此能够避免由于刀具的结构限制导致的无法设置冷却通道或设置了冷却通道时会对刀具力学性能、加工精度产生影响。
52.本发明中一种刀具体的实施例2：
53.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，内冷导流模块30采用3d金属打印的方式嫁接在主体部分10上。而本实施例中，内冷导流模块30采用铸造的方式成型，通过焊接固定在主体部分10上。
54.在其他实施例中，内冷导流模块30也可以采用其他方式成型，例如以机械加工工艺通过去除材料的方式成型，同时还可以将机械加工与钣金结合来成型。内冷导流模块30与主体部分10的固定方式也可以是螺纹连接、法兰连接等形式。
55.本发明中一种刀具体的实施例3：
56.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，主体部分10上设有两处刀头座，导流管32设置有两个，分别与两处刀头座对应。而本实施例中，主体部分10上设有三处刀头座，导流管32对应设置有三只。
57.在其他实施例中，根据刀头座的数量和冷却需求，可以增减导流管32的数量。对于能够在主体部分10内设置内流通道的刀具，优先在主体部分10内设置内流通道，对于不具备加工侧向斜通道的刀具可搭配设计内冷导流模块30，从而减少导流管32的数量来降低刀具体外部结构的复杂性。
58.本发明中一种刀具体的实施例4：
59.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，内冷导流模块30包括模块基体31和连接在模块基体31上的导流管32。而本实施例中，内冷导流模块30未设置模块基体31，各导流管32的一端连接有连接头，连接头上设有冷却液进口33。在其他实施例中，各导流管32也可以相互独立地分别连接在刀具体上。
60.本发明中一种刀具体的实施例5：
61.本实施例与实施例1的不同之处在于：实施例1中，内冷导流模块30的冷却液进口33与主体部分10内的纵向主通道16、径向连通通道17连接。而本实施例中，内冷导流模块30的冷却液进口33暴露在外，机床通过管路直接向内冷导流模块30供给冷却液。
62.在上述实施例中，内冷导流模块30的导流管32包括倾斜部分36、平直部分37和折弯部分38，整体为“u”形。在其他实施例中，导流管32也可以是其他形状，例如整体设计为“l”形，能够形成用于朝向刀头12的切削区域喷射冷却液的喷口39即可，喷头的朝向应根据工件结构形状以及加工工况进行选取，使冷却液能更好地辅助排屑。
63.本发明中刀具的内冷通道成型方法的实施例1：
64.该方法在刀具的主体部分10外部通过3d金属打印的方式嫁接内冷导流模块30，内冷导流模块30即上述一种刀具体的实施例1中所述的内冷导流模块30，具有冷却液进口33和导流管32。依靠导流管32形成内冷通道以将冷却液引导至刀头座，使导流管32的端部开口形成用于朝向刀头12喷射冷却液并避免与工件和机床干涉的喷口39。
65.在刀具的内冷通道成型方法的其他实施例中，内冷导流模块30也可以采用其他方式成型，例如通过铸造的方式成型，通过焊接固定在主体部分10上。再如以机械加工工艺通过去除材料的方式成型，同时还可以将机械加工与钣金结合来成型。内冷导流模块30与主体部分10的固定方式也可以是螺纹连接、法兰连接等形式。
66.在刀具的内冷通道成型方法的其他实施例中，内冷导流模块30也可以不设置模块基体31，各导流管32的一端连接有连接头，连接头上设有冷却液进口33。各导流管32也可以相互独立地分别连接在刀具体上。
67.在刀具的内冷通道成型方法的其他实施例中，导流管32也可以是其他形状，例如整体设计为“l”形，能够形成用于朝向刀头12的切削区域喷射冷却液的喷口39即可，喷头的朝向应根据工件结构形状以及加工工况进行选取，使冷却液能更好地辅助排屑。
68.上述实施例中，内冷导流模块用于非标刀具，在其他实施例中，内冷导流模块也可以用于标准刀具。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。